徐　英，吳海濤，張　濤

(天津大學 電氣與自動化工程學院，天津 300072)

基于可調恒流源技術的熱式氣體質量流量計

徐英，吳海濤，張濤

(天津大學 電氣與自動化工程學院，天津 300072)

摘要:熱式氣體質量流量計是基于對流換熱原理進行流量測量的。在恒溫差式和恒功率式兩種傳統(tǒng)設計方式的基礎上，提出了一種基于可調恒流源技術的熱式氣體質量流量計。測量范圍為0.2～20 m/s，將此范圍分為三段。0.2～0.9 m/s設定加熱電流為40 mA，0.9～10 m/s設定加熱電流為60 mA，10～20 m/s設定加熱電流為80 mA。匯總各加熱電流下的測量數據從而確定全量程范圍下的計算模型。系統(tǒng)在天津大學流量實驗室大口徑氣體流量標準裝置上進行檢定，管道口徑為DN200，精度為1.0級，量程比達到100∶1。

關鍵詞：可調恒流源；強制對流；自然對流；測溫探頭；測速探頭

0引言

熱式氣體質量流量計為直接式質量流量計，具有測量范圍寬、壓損小、可靠性高、可測量混合氣體、適用于各種管道和過載無損害等諸多優(yōu)點，得到了廣泛應用[1]。當前，熱式氣體質量流量計的研究主要集中在四個方面：一是溫度技術補償研究；二是傳感器設計研究，采用不同的材料和加工工藝來保證測量的準確性和可靠性；三是測量方法與數據處理研究[2]，在保證測量分辨率和精度的前提下，對采集的數據進行處理；四是傳感器建模研究，若能得到傳感器的對應模型，則可有效地提高測量精度且減小測量難度。

綜上所述，人們更多的是關注傳感器的設計和軟件算法的補償，而測量方式大部分是基于恒溫差式或者恒功率式。本文研究則另辟蹊徑，采用不同流速點下設定不同的加熱電流來進行流量測量。

1測量原理

熱式質量流量計是根據傳熱原理進行流量測量的，其熱量的主要傳遞方式為熱對流。熱對流指的是流體在流動的過程中，由于冷熱分布存在差異，冷熱流體相互接觸而產生熱量傳遞的過程。對流傳熱又分為自然對流和強制對流兩大類，由于流體內部各部分密度不同而引起的流動為自然對流；流體在外力作用下產生的流動為強制對流。當流體流速較大時，自然對流、熱輻射、熱傳導都可以忽略不計。但當流體流速較小時，自然對流傳熱就不能忽略了。對流傳熱的基本公式為牛頓冷卻公式

Q=hA(TW-TC)

(1)

式中Q為單位時間內的熱流量，W；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?，W/(m2·k)；A為換熱面積，m2；TW為物體壁面的溫度，K；TC為流體溫度，K。

熱式流量計中產熱的就是測速探頭,其發(fā)熱量為

Q=I2WRW

(2)

式中IW為測速探頭的加熱電流，A；RW為測速探頭的電阻值，Ω。

Roger C Baker在《Flow measurement handbook》中給出,式(1)中hA可以表示為

hA=A1+B1(qm)0.5

(3)

則可得

(4)

熱式質量流量計主要分為恒溫差式和恒功率式。恒溫差式主要有兩個缺點：一是采用惠斯通電橋結構，環(huán)境溫度發(fā)生變化時就會影響電橋平衡，表現為零點不穩(wěn)和小流量精度無法保證，必須附加相應的溫度補償電路；二是流量上限受到限制，隨著流量的不斷增大，加熱功率也相應增大，加熱功率過大時就會增加電路設計的難度,同時影響電路的穩(wěn)定性。恒功率式的主要缺點在于測量小流量時采用較大的加熱功率，測溫探頭和測速探頭之間的自然對流換熱不能忽略，無法保證小流量的測量精度，同時功率控制算法具有一定的滯后性，影響測量的靈敏度。

當流體流量較小或者為零時，如果加熱電流過大就會導致測速探頭過熱，進而使周圍環(huán)境溫度明顯上升，那么，速探頭和測溫探頭之間的自然對流傳熱就不可忽略；當流體流量較大時，如果加熱電流過小，流體帶走熱量過多，使得測溫探頭和測速探頭之間的溫差很小，導致探頭對流量的變化不敏感。針對以上問題，要忽略自然對流傳熱的影響，在保證一定量程比的前提下不涉及復雜的控制算法，且適當提高儀表的反應速度，本研究提出了一種可調恒流源技術的熱式流量計。

2各段加熱電流的劃分

在低流量時，測速探頭溫度較高，存在由于測速探頭和測溫探頭溫度不同而產生的自然對流，要完全忽略自然對流影響，必須滿足公式

(5)

(6)

(7)

式中Gr為格拉曉夫數，為自然對流浮力和粘性力之比，是反映自然對流程度的特征數；αν為體脹系數；Red為局部雷諾數；g為重力加速度，m/s3；ν為運動粘度，m2/s；L為探頭加熱段長度，m；u為流體速度，m/s；d為探頭直徑，m。

由式(5)～式(7)可得

(8)

(9)

如圖1所示，設計加熱段為12 mm，探頭直徑為3 mm，環(huán)境溫度為298.15 K。當u為0.2 m/s時，可得TW應小于等于300.1 K。實驗可測得，當加熱電流為40 mA時，TW為300 K，滿足測量小流量時的要求。

圖1　熱式探頭機械結構Fig 1　Mechanical structure of thermal probe

綜上所述，在0.2～0.9 m/s的流速下采用40 mA的加熱電流，降低了小流速下測速探頭對測溫探頭的影響；隨著流速增大，流體帶走熱量增加，0.9～10 m/s范圍下采用60 mA加熱電流；當流速大于10 m/s時，測速探頭對流速變化的靈敏度下降，故10 m/s以上采用80 mA加熱電流[3]。測速探頭采用Pt100，測溫探頭采用Pt200，測溫電流為0.5 mA[4]。

3可變電流的實現

高可靠、穩(wěn)定的恒流源[5]是儀表達到較高測量精度的前提。按照恒流源的組成器件不同可分為三類：晶體管恒流源、場效應管恒流源和集成運放恒流源。設計中加熱電流設計精度為0.1 %，采用美國Burr—Brown公司推出的XTR110。該芯片內部由電壓/電流轉換模塊、電流/電流變換模塊、精密電阻網絡模塊和精密+10 V電壓基準模塊等組成。圖2為其典型應用電路，其輸出電流為

(10)

將端口8懸空，通過變換輸入電壓VREFIN,VIN1,VIN2和三極管基極負載RSPAN的不同組合，可以組合出不同的電流環(huán)輸出模式。

圖2　XTR110的典型應用電路Fig 2　Typical application circuit of XTR110

為了擴展電流，選擇使用外部電阻器，斷開引腳1和13，在引腳16和引腳13之間接入10 Ω電阻器，則電流放大倍數擴大為50倍。電路設計中將VREFIN,VIN1懸空，只保留VIN2。VIN2的精度和穩(wěn)定性直接決定了輸出電流的性能，選擇MAX6350為其提供基準電壓值+5 V[6]，其精度為±0.02 %，則系統(tǒng)輸出電流的計算公式為

(11)

將引腳8外接一個可調電阻器，通過調節(jié)此電阻值得到所需的電流。

4整體方案設計

系統(tǒng)電路按上圖3進行設計，分為傳感器信號輸出模塊、恒流源模塊、電壓源模塊、主控單元及其外圍模塊、A/D模塊、信號調理模塊。RC為測溫探頭的阻值，RW為測速探頭的阻值，Ra,Rb為基準電阻器，阻值為100 Ω，精度0.01 %，溫漂5×10-6/℃,公式為

(12)

(13)

圖3　系統(tǒng)整體設計圖Fig 3　Overall design chart of system

基準電阻的設定有效地減小了恒流源波動對實驗結果的影響。采用24位的AD7193芯片進行A/D，其分辨率為0.298 μV，通過SPI通信將采樣結果傳遞給430單片機，充分保證了采樣精度。在單片機內實現信號處理、參數設定、模型計算等任務，最終通過液晶、RS—485以及脈沖信號三種方式進行輸出。同時考慮抗干擾和電路的穩(wěn)定性，加入了看門狗保護電路和掉電保護電路。

5實驗標定結果

標定結果如表1所示，以0.4 m/s作為分界流量，分界流量以上精度滿足1.0 %，分界流量以下精度滿足1.5 %。

表1　各段加熱電流下的標定數據

6結論

本文提出了一種基于可調恒流源技術的熱式氣體質量流量計，闡述了電流發(fā)生的機理和如何改變加熱電流的大小。在保證加熱電流達到要求的前提下，給出了系統(tǒng)的整體設計框架圖。相比于傳統(tǒng)的恒溫差式和恒功率式，在相同測量精度的前提下，本研究設計的熱式氣體質量流量計具有更寬的測量范圍。以0.4 m/s作為分界流量，分界流量以下可以保證1.5級精度，分界流量以上可以保證1.0級精度，量程比達到100∶1。

參考文獻:

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[3]Nandita Sanyal,Biswajit Bhattacharyya,Sugata Munshi.An analog non-liner signal conditioning circuit for constant temperature anemometer[J].Measurement，2006(39):308-311.

[4]衛(wèi)永琴,高建峰.一種恒流源電路的巧妙設計[J].儀器儀表學報，2006,27(8):1170-1172.

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[6]徐英,劉新峰,張濤,等.基于XTR110的高精度恒流源設計[J].化工自動化及儀表，2015(1):67-70

Thermal gas mass flowmeter based on adjustable constant current source technology

XU Ying，WU Hai-tao，ZHANG Tao

(School of Electrical and Automation Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Abstract:Thermal gas mass flowmeter measures flow based on principle of convection heat transfer.Based on traditional design methods which are constant temperature difference type and constant power type,present a thermal gas mass flowmeter based on adjustable constant current source technology.Range of 0.2～ 20 m/s,which is divided into three stages.At the first stage 0.2～0.9 m/s,heating current is set 40 mA,at the second stage 0.9～10 m/s,heating current is set 60mA,at the third stage 10～20 m/s heating current is set 80 mA.Calculation model for the whole range can be determined by summarizing the measurement data under the heating current.Tested on large diameter airflow standard device in the discharge Laboratory of Tianjin University,system with pipe diameter 200 mm achieve precision of 1 % and range ratio of 100∶1.

Key words:adjustable constant current source;forced convection;natural convection;temperature measurement probe;velocity measurement probe

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0064—03

收稿日期：2015—09—24

中圖分類號：TP 216

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0064—03

作者簡介:

徐英(1970-)，女，天津人，教授，博士生導師，主要從事濕氣流量計量和智能化儀表的研發(fā)。